Creeaza.com - informatii profesionale despre
Evidentiem nevoile sociale din educatie - Referate profesionale unice
Acasa » referate » chimie
Hidrocarburi

Hidrocarburi



Hidrocarburi

Hidrocarburile sunt compusi organici ai C cu H.

Tinand cont de natura hibridizarii atomului de C din molecula, hidrocarburile pot fi:

Saturate – contin in molecula numai atomi de C hibridizati  sp3.

                                  alcanii:                                           CnH2n+2

                                  cicloalcanii :                                  CnH2n

Nesaturate – contin in molecula atomilor de C nesaturati, alaturi de atomi de C saturati:

                                  alchenele:                                       CnH2n   (2 at. Csp2; Csp3)

                                  dienele:                                           CnH2n-2 (2x2 at. Csp2; Csp3)

                                  alchinele:                                        CnH2n-2 (2 at. Csp; Csp3)

Aromatice (arene) caracterizate prin prezenta cel putin a unui nucleu benzenic:

                                  mononucleare:                                CnH2n-6  (ptr.n≥6)

                                  dinucleare (cu nuclee condensate):  CnH2n-12

                                  trinucleare (cu nuclee condensate): CnH2n-18

Alcani

1. Defintie. Caracteristici. Seria omologa.

Defintie. Se numesc alcani (parafine) hidrocarburile in  molecula carora  nu apar decat legaturi simple (C-C si C-H) si in care raportul numeric a celor doua tipuri de atomi  este exprimat prin formula CnH2n+2 in care n reprezinta numarul de atomi de C din molecula.

Caracteristici. Alcanii sunt:

 -hidrocarburi, contin in molecula numai atomi de C si H,    

 -aciclice, au catena liniara sau ramificata deschisa,

 -nesaturate (N.E.=0), contin, in molecula, un numar maxim de atomi de H la numarul atomilor de C considerat, in clasa hidrocarburilor.

Seria omologa. Definitie: o serie omologa cuprinde toti compusii apartinand aceleiasi clase structurale  caracterizati fiind  prin aceeasi formula  generala ; doi termeni omologi (apartin aceleasi clase, sunt succesivi) se deosebesc intre ei printr-o grupare (– CH2 –), grupare metilenica.

Seria omologa a alcanilor.

             Daca in formula generala a alcanilor se dau lui n valori intregi, se obtine seria omologa a alcanilor. Identificarea termenilor se face prin denumiri specifice - conform regulilor de nomenclatura I.U.P.A.C.

2. Nomenclatura alcanilor.

Primii patru termeni ai seriei omologe a alcanilor au denumiri specifice:

(n=1)metan, (n=2)etan, (n=3)propan respectiv(n=4)butan. Caracteristica este prezenta prefixului “an” de la …. alcan.

           Pentru urmatorii termeni, de la n≥5, denumirea alcanilor se formeaza plecand de la  numera-lul, in limba greaca , ce indica numarul atomilor de C din molecula, la care se adauga sufixul “an”:

n                                  CnH2n+2                                   alcan

1                                  CH4                                         metan

2                                  C2H6                                        etan

3                                  C3H8                                        propan

4                                  C4H10                                       butan

5 – penta                     C5H12                                       pentan

6 – hexa                       C6H14                                       hexan

7 – hepta                     C7H16                                       heptan

8 – octa                       C8H18                                       octan

  9 – nona                    C9H20                                       nonan

10 – deca                     C10H22                                      decan

11 – undeca                 C11H24                                     undecan

12 – dodeca                C12H26                                     dodecan

        .

        .

        .

20 – eicosa                  C20H42                                     eicosan

2.1. Radicali organici

             Radicalii organici sunt molecule organice provenite prin eliminarea unuia sau mai multor atomi de H. Sunt neutri din punct de vedere  electric (sunt molecule), avand caracteristica prezenta unui numar de orbitali monoelectronici egal cu numarul atomilor de H indepartati din molecula initiala. In cazul radicalilor proveniti din alcani se obtine un rest hidrocarbonat( neutru din punct de vedere  electric), cu orbitali monoelectronici, denumiti radicali alchili ( la singular-radical alchil).

            Din punct de vedere electronic, un radical este o molecula ce poarta, la unul din atomii sai (sau la mai multi), un numar impar de electroni (acesti orbitali sunt ocupati, fiecare, de cate un singur electron).

Radicalii alchili au un nivel energetic foarte ridicat, fapt ce explica viata lor scurta, ei neexistand in stare libera. Acestia apar ca intermediari in timpul reactiilor chimice, stabilizandu-se in produsi de reactie.

Tinand cont de numarul de atomi de H teoretic eliminati din molecula  unui alcan, radicalii alchil pot fi:

           1. Monovalenti – provin dintr-un alcan prin eliminarea unui atom de H.Se noteaza   R. sau R-.  Denumirea se  formeaza prin inlocuirea sufixului “an” cu sufixul “il”.

CH4 metan      -                       CH3-                   metil

C2H6 etan        -                       C2H5-                  etil

C3H8 propan   -                       CH3-CH2-CH2–  (propil; n-propil)

                                                CH3-CH -CH3      (izopropil)

 

             Prefixul izo utilizat in cazul propil arata starea de carboradical la C secundar    (Atentie : numai in acest caz)

            Pentru butan, putem identifica doua structuri (izomeri de catena):

 C4H10:           CH3-CH2-CH2-CH3      n-butan    ( n provine de la cuvantul normal, ceea ce inseamna o catena liniara,normala).

                     

                              CH3-CH -CH3               izobutan   (izo[1] ne arata ramificarea catenei)


                                  CH3                                                                           

                                                                                                      

Pentru n-butan avem doua stari de carboradical:

                  CH3-CH2-CH2-CH2-               n-butil

                  CH3-CH-CH2-CH3               sec-butil       (sec ne arata stare de carboradical                

                                                                                                           la C secundar)

Pentru izobutan avem alte doua stari de carboradical, respectiv:

                       CH3-CH –CH2 -              izo-butil       (izo  ne arata stare de carboradical                

                               CH3                                   la C sp3 marginal dintr-o catena ramificata )                     


                       CH3-C -CH3                                  tert-butil     (tert ne arata stare de carboradical  la C tertiar)

                             

                                CH3                                                                                       

          2. Divalenti - rezulta prin eliminarea teoretica a doi atomi de H din molecula unui alcan. Denumirea se formeaza prin inlocuirea sufixului an cu

      - sufixul ilen      (pentru starea de carboradical vicinal) sau

      - sufixul iliden (pentru starea de carboradical geminal)  .R.    sau     -R-

                            CH4  metan -           -CH2-             metilen

                            C2H6 etan    -           CH3-CH-       etiliden 

                                                          -CH2-CH2 -     etilen

          3.Trivalenti -rezulta teoretic prin eliminarea a trei atomi de H din molecula alcanului respectiv. Denumirea se formeaza prin inlocuirea sufixului an cu sufixul in. Se reprezinta:

                            CH4 metan                -CH-           metin

2.2. Nomenclatura IUPAC. Izoalcani

           

Izoalcanii nu reprezinta o alta clasa de hidrocarburi, ci sunt alcani ce au catena ramificata. Denumirea lor se face cu respectarea regulilor IUPAC.

Sa se denumeasca, conform IUPAC, izoalcanul:

                    CH3-CH-CH3  CH3

     CH3-CH-CH2-CH-CH2-C-CH2-CH3

             CH2-CH3             CH3

o       Se identifica catena cea mai lunga –noua; prefixul ptr. o catena de 9 at. C   este  non. Deoarece intre atomii de C din catena cea mai lunga se realizeaza numai legaturi simple,  structura de baza va fi a unui un alcan - nonan.

o       Se inconjoara cu linie intrerupta catena identificata ca fiind cea mai lunga.  

      Se numeroteaza atomii de C din catena cea mai lunga (stanga-dreapta).

o       Se identifica substituentii. Sunt substituenti toate resturile hidrocarbonate sau gruparile functionale  grefate pe catena principala.

o        Identificarea substituentilor presupune:

·         pozitionarea lor prin indici de pozitionare indentificand numarul   atomilor de C la care se leaga gruparea functionala

·         identificarea numarului si tipul substituentilor:

            - numarul substituentilor identici se indica prin prefixe:

                 mono (mai rar ), di ,tri  ,tetra,penta,hexa

               Ex: trei radicali metil -trece in …. trimetil

            - numarul atomului de C la care se leaga  gruparea       

              functionala se indica prin indici de pozitionare,   

              despartiti  intre ei prin virgule.

             -daca la acelasi atom de C avem substituenti identici,  

              aceasta se indica prin indici de pozitionare care se  

              repeta.

o       Se compune numele:

               indici de pozitionare – nume substituent– numele catenei principale

                             pentru un tip de substituent

§         -Indicii de pozitionare, in cazul existentei mai multor tipuri de      

       radicali ,se despart de denumirea radicalului prin liniute.

§         -Radicalii se aseaza in ordine alfabetica a numelui radicalului si nu   

       a prefixului ( mono, di, tri, …, )

§         -Numele radicalului poate implica prezenta prefixelor izo, sec, tert,  

                                    neo

Obtinem:

                             5- izopropil – 3, 7, 7- trimetil nonan (22)

o        Se repeta intrega succesiune de operatii numerotand catena invers, de la dreapta la stanga. Obtinem:

           5- izopropil – 3, 3, 7- trimetil nonan (18)

§         Este corecta nomenclatura in care suma indicilor de pozitionare este minima.

Este corecta a doua denumire.(18<22)

                           

                             5- izopropil – 3, 3, 7- trimetil nonan

3. Izomeria la alcani.

                Fenomenul de izomerie apare, in clasa alcanilor, sub forma izomeriei de  

constitutie de tipul izomeriei de catena.

                Izomeria de catena apare datorita posibilitatilor pe care le are un atom de C din catena de a fi: primar, secundar, tertiar sau cuaternar.

Izomerii se deosebesc prin modul de aranjare a atomilor de C componenti in ansamblul catenei. La alcani apare de la n≥4.

C4H10    are doua structuri izomere:

            CH3-CH2-CH2-CH3     n-butan (n-normal, exista o catena normala, liniara)

            CH3-CH -CH3              izobutan   (izo* ne arata ramificarea catenei)                        

                    CH3                                                            2-metil propan

C5H12    are trei structuri izomere:

            CH3-CH2-CH2 -CH2-CH3   n-pentan

               

            CH3-CH - CH2-CH3         izopentan   (izo* ne arata ramificarea catenei dar

                    CH3                                                                      este utilizat si pentru a arata prezenta  

                                                                                   unei grupari metil la  C- 2 )

                                                     2-metil butan                      

                      CH3   

              CH3-C -CH3                   neopentan   ( neo ne arata prezenta a doua grupari metil

                      CH3                                             la C-2)

                                                     2,2-dimetil propan    

 

 

3. Structura alcanilor.

Atomii de C din alcani sunt atomi de Csp3 (deci au structura tetraedrica). Ca atomi de Csp3 prezinta 4 orbitali hibrizi monoelectronici distribuiti,in spatiu, in modul cel mai simetric posibil, spre varfurile unui tetraedru regulat. Unghiul dintre axele de simetrie ale orbitalilor hibrizi este 109°28΄. Prin intermediul celor 4 orbitali hibrizi sp3 se realizeaza 4 legaturi covalente σ deci 4 legaturi covalente simple .

                                                                                                                                                  

                                                                                                         

                                                      

                                                                            

Metanul,CH4 cel mai simplu reprezentant al clasei, are structura tetraedrica, cu unghiul,intre axele orbitalilor hibrizi ,de 109°28΄ formand 4 legaturi covalente de tip  σ s-sp3 deci 4 legaturi covalente simple. In centrul tetraedrului se afla nucleul atomului de C. Lungimea legaturilor C-H este de 1,1 Ε

Metan CH4 :

                                                 

Legatura covalenta simpla este o legatura mobila, permitand rotirea libera a atomilor de C simplu legati in jurul axei de simetrie a legaturii. Tanand cont de posibilitatea realizarii legaturii C-C prin intermediul oricarui orbital hibrid, aranjamentul structural al unei catene cu Csp3 va fi intamplator, dar dintre structurile posibile cea mai stabila va fi cea in zig-zag, structura in care distanta dintre doi atomi de C consecutivi este de 1,54 Ε, iar dintre 2 atomi de C alternativi este 2,54 Ε.

4. Metode de obtinere. Starea naturala.

4.1.Metode de obtinere:

I. Industriale

1.      Sinteza Bergius – Chimizarea carbunelui

2.      Metoda Fisher-Tropsh

3.      Chimizarea petrolului

II. Metode de laborator

1.      Hidrogenarea hidrocarburilor nesaturate

2.      Hidroliza carburilor metalice

3.      Hidroliza compusilor organo-metalici

4.      Sinteza Wόrtz

5.      Sinteza Kolbe

6.      Decarboxilarea acizilor carboxilici

I.Metode de obtinere industriale:

I.1. Sinteza Bergius – chimizarea carbunelui

       La baza chimizarii carbunelui sta ecuatia reactiei:


                         C+2H2                CH4       

         

care are loc in sensul indicat de sageata la 200°C. Procedeul a fost extins in 1913 de Bergius hidrogenand nu carbonul, ci carbunele fosil obtinand doua faze: lichida si gazoasa. Din faza lichida se separa uleiul greu si uleiul mediu din care. in final, prin reprocesare,se obtine benzina sintetica.

I.2. Metoda Fisher-Tropsh

      Metoda are la baza procesul de hidrogenare a CO  si a fost descoperita in 1902 de Sabatiers si Senderens. Aceasta consta in trecerea gazului de sinteza, la 250-300°C, pe catalizator de Ni, cu obtinerea CH4 ( si a vaporilor de apa):


                         CO + 2H2                      CH4 + H2O

In anul 1926 Fisher si Tropsh au extins metoda la obtinerea compusilor de tip alcanic cu catena marita folosind gazul de sinteza obtinut din conversia CH4 cu vapori de apa dupa ecuatia:


                        CH4 + H2O                       CO + 3H2

                                                              

Gazul de sinteza obtinut, la 250°C si presiune normala,pe catalizator mixt, conduce la alcani superiori:


                n(CO + 2H2) + H2               CnH2n+2 + nH2O

Sinteza Fisher a fost aplicata pana in 1940 in vederea obtinerii benzinei sintetice; a fost parasita pentru ca pretul de cost al procedeului este mult mai ridicat decat cel al obtinerii benzinei de extractie.

II. Metode de laborator

II.1. Hidrogenarea hidrocarburilor nesaturate

Hidrocarburile nesaturate contin un anumit numar de legaturi p care prin aditie de H2 conduc, in conditii catalitice (cataliza eterogena), la alcanii corespunzatori. La baza reactiei sta schema:

                           

                            C        C      + H2                              C           C       

                            alchena                                        alcan

(Se observa ca pentru o legatura p se consuma un mol de H2) .

·         Hidrogenarea alchenelor: reactia are loc pe catalizator Ni-Raney la 80-2000C si presiune de 200 atmosfere cu obtinerea alcanului corespunzator. Reactia se desfasoara in cataliza eterogena ceea ce inseamna ca starile de agregare ale participantilor la sistem sunt alchena, gaz sau lichid; H2 gaz; catalizatorul solid. Schema hidrogenarii este:

                                                                        

                                                 CnH2n + 2H2   Ni-Raney    CnH2n+2 

          

           Amestecul 1 si 2-butena conduce prin hidrogenare la  n-butan:

 


           CH2=CH- CH2-CH3

                                                + H2                         CH3-CH2-CH2-CH3                                             

           CH3- CH=CH- CH3

·         Hidrogenarea totala a dienelor. Dienele se caracterizeaza prin prezenta in molecula a doua legaturi duble.Hidrogenarea totala are loc in cataliza eterogena:Ni, Pt, Pd, metale fin divizate, cu obtinerea alcanului.

         CH2=CH-CH=CH2 +  2H2                  CH3- CH2- CH2-CH3

             1,3-butadiena                                               butan

·         Hidrogenarea totala a alchinelor are loc tot in cataliza eterogena cu obtinerea alcanului corespunzator. Alchinele, avand doua legaturi p, vor consuma doi moli de H2 la un mol alchina:

                    Pd/ Pb2+

         CH        CH+ 2H2                  CH3        CH3

            acetilena                                    etan

 

II.2. Hidroliza carburilor metalice

           Carburile metalice sunt compusi ionici in care se gaseste ionul carbura  . Carbura de aluminiu (in care se gaseste ionul carbura  C4-)  hidrolizeaza cu obtinerea CH4 si Al(OH)3.

          Al4C3 +12H2O                   3CH4 +  4Al(OH)3

          Reactia poate avea loc si cu HCl cand se obtine AlCl3 si CH4.

          Al4C3 +12HCl                   3CH4 +  AlCl3

Metoda are aplicatii restranse deoarece CH4 se obtine, mult mai ieftin, direct din gazul metan.   Carbura de calciu, compus ionic ce contine ionul carbura C22- (- C ≡≡ C -),  prin hidroliza da nastere la acetilena:        

           CaC2 + 2H2O                     C2H2 + Ca(OH)2

II.3. Hidroliza compusilor organo-metalici

Compusii organo-metalici ce prin hidroliza dau nastere la alcani, fac parte din doua clase mari:

  • dialchilmetal si
  • derivati organomagnezieni (reactivi Grignard).

-Hidroliza dialchilzincului conduce la Zn(OH)2 si alcan.

            (CH3 CH2)2Zn + 2H2O                      2CH3 – CH3 + Zn(OH)2

-Hidroliza derivatilor organomagnezieni (reactivi Grignard)

Reactivii Grignard se obtin in urma reactiei dintre un derivat halogenat si Mg intr-un mediu perfect anhidru, conform ecuatiei:


             R – X + Mg                                      R – MgX

Acesta hidrolizeaza foarte usor:

      

             R – MgX + H – OH            R – H + Mg(OH)X

                                                                    Halogenura bazica de

                                                                                                               magneziu

Ex:

                        CH3Cl + Mg            CH3 – MgCl

              CH3 – MgCl + H2O           CH4 + MgOHCl

II.4. Sinteza Wόrtz este o metoda aplicata in special pentru obtinerea alcanilor simetrici. Reactia de alchilare reciproca data de derivatii halogenati are loc in prezenta de Na.

  R-X + 2Na + X-R           R-R  + 2NaX

 derivat                         alcan

 halogenat                   simetric

Ex:

          CH3-CH-X + 2Na + X- CH-CH3         CH3-CH-CH-CH3  + 2NaX

                                                                          

                              CH3                                   CH3                           CH3 CH3

                        halogenura de                                                                           2,3-dimetil butan

                                       izopropil

 

II.5. Sinteza Kolbe

La electroliza unei sari de Na a unui acid monocarboxilic saturat, in final, la anod, se obtine un alcan simetric care va avea 2n-2 atomi de C  in molecula( in care n este numarul de atomi de C din sarea de Na a acidului respectiv).

Schema sintezei este:

Ionizarea sarii:                                         R – COO-Na+                                 R – COO– + Na+

Reactii primare la electrozi: A(+)            R – COO–    – 1e-                R – COO.

                                                              ion carboxilat                    radical carboxilat

                                              K(-)             Na+ + 1e- + H2O                 NaOH + 1/2H2

Reactii secundare in sistem:

                              

                                               R – COO.                  R.   + CO2

Reactia totala:

                    2R-COONa + H2O     electroliza      R – R + 2CO2  + NaOH + 1/2H2

       

Metoda are aplicatii restranse; randamente superioare se obtin in cazul electrolizei  acetatului de sodiu:

Schema sintezei este:

Ionizarea sarii:                                         CH3– COO-Na+                         CH3 – COO – + Na+

Reactii primare la electrozi: A(+)            CH3 – COO –    – 1e-                CH3 – COO .

                                                                    ion acetat                                radical acetal


                                              K(-)             Na+ + 1e- + H2O                 NaOH + 1/2H2  

Reactii secundare in sistem:

                              

                                               CH3 – COO .                  CH3 .   + CO2

Reactia totala:

                  2 CH3-COONa + H2O    electroliza                  CH3 – CH3 + 2CO2  + NaOH + 1/2H2

                   acetat de sodiu                                          etan

II.6. Decarboxilarea acizilor monocarboxilici saturati.

        Incalzirea acizilor duce la eliminarea unei molecule de CO2 provenind din gruparea carboxil. Incalzirea acizilor monocarboxilici saturati conduce la formarea alcanului (cu n-1 atomi C) si eliminarea unei molecule de CO2 (R. are loc cu micsorarea catenei si scaderea nr. de.atomi de C din molecula).

Acizii monocarboxilici saturati sunt stabili la incalzire pana  ]n jurul valorii de  200oC.

Prezinta importanta practica decarboxilarea acidului acetic. Pentru decarboxilarea acestuia se utilizeaza  calcinarea acetatului de sodiu cu soda caustica la temperatura ridicata.


      CH3-COOH + NaOH    -H2O     CH3-COO-Na+  +NaOH(200 sC)        CH4 + Na2CO3

Metoda nu se aplica numai acizilor saturati, ci tuturor acizilor fiind o metoda de obtinere a diferitelor clase de hidrocarburi. Numai in cazul acidului acetic decarboxilarea se produce la temperaturi  relativ ridicate.

4.2. Starea naturala

Metodele de obtinere prezentate au aplicatii restranse deoarece alcanii se gasesc in natura sub forma de:

  • gaze naturale si
  • petrol.

  • Gazele naturale: gaz metan – zacamant ce contine CH4 in diferite proportii de pana la 99,99%.

                              gaz de sonda  -cu alcani in fractiunile C1 – C4 ,in zacaminte ce insotesc petrolul.

·         Petrolul: zacamant natural format din hidrocarburi solide si gazoase dizolvate in hidrocarburi  lichide.

5. Proprietati fizice

5.1. Elementele de structura care determina proprietatile fizice

               Proprietatile fizice ale n-alcanilor  si ale izoalcanilor sunt determinate de structura moleculelor lor. Legaturile simple  C – C sunt legaturi covalente nepolare, iar legaturile C – H din alcani sunt legaturi covalente foarte slab polare, fiind practic  nepolare. Prin urmare, moleculele hidrocarburilor  saturate sunt molecule nepolare.

               Intre moleculele nepolare, cum sunt moleculele alcanilor, se manifesta interactiuni de dispersie, de tip forte van der Waals. In stare solida, substantele cu molecule nepolare formeaza retele moleculare. Punctele de topire ale substantelor cu retele moleculare sunt mici si cresc cu cresterea maselor moleculare si cu micsorarea distantelor dintre molecule. Substantele cu molecule nepolare sunt solubile in solventi cu molecule nepolare.

                        Asadar, intre moleculele nepolare ale alcanilor se exercita interactiuni slabe de dispersie de tip van der Waals si in stare solida  alcanii formeaza retele moleculare.

·         Puncte de fierbere si de topire

                 Existenta fortelor intermoleculare slabe determina puncte de topire si de fierbere scazute la alcani  care cresc odata cu cresterea masei moleculare.

                                                     Pt si pf ale unor n-alcani

n-alcan

 p.t.

(0C)

p.f.

(0C)

CH4

-182,5

-161,6

C2H6

-183,2

-88,6

C3H8

-187,6

-42,2

C4H10

-138,3

-0,5

C5H12

-129,7

+36,1

C6H14

-95,3

+68,8

C7H16

-90,6

+98,4

C8H18

-56,8

+125,7

C9H20

-53,6

+149,5

C10H22

-30,3

+173

C15H32

+10

+270,5

C20H42

+36,5

+344

        

                 La temperaturi si presiuni obisnuite, primii patru termeni ai seriei n-alcanilor (C1 – C4) sunt gazosi, termenii medii (C5-C17) sunt lichizi, iar cei superiori (peste C17) sunt solizi. 

     In seria omologa a n-alcanilor, punctele de topire cresc cu 20-300 pentru  fiecare atom de carbon in plus  deci punctele de fierbere si topire cresc odata cu cresterea masei moleculare..

                Cresterea punctelor de topire  cu cresterea numarului de atomi de carbon din molecula este mai putin uniforma decat cresterea punctelor de fierbere.

                Ramificarea catenei micsoreaza punctul de fierbere al compusilor respectivi (vezi tabelul de mai jos) pentru ca ,odata cu izomerizarea ,distantele dintre molecule cresc si scazand taria fortelor  de atractie de tip van der Waals.

FM

Formula plana

Denumire

Tipul

catenei

Punct

   de

fierbere

  (0C)

C4H10

CH3-CH2-CH2 -CH3  

 butan

aciclica

liniara

-0,5

CH3-CH - CH3               

        CH3                                                                

izobutan

aciclica

ramificata

-11,7

C5H12

CH3-CH2-CH2 -CH2- CH3

n-pentan

aciclica

liniara

+36,1

CH3-CH - CH2-CH3                                      

        CH3                                                                

izopentan

aciclica

ramificata

+27,8

 

                      CH3   

              CH3-C -CH3                 

                         CH3

neopentan

aciclica

ramificata

+9,4

 


Se observa:

             p.f . n-butan  > p.f izobutan, respectiv

C5H12

n

izo

neo

Cresterea gradului de ramificare a catenei

creste

p.f. (0C)

36

27,8

9,4

Variatie p.f.

scade

           

 p.f . n-pentan  > p.f izopentan >p.f neopentan ,

 

scaderea p.f. fiind o consecinta si a cresterii ramificarii catenei.

           

La izoalcanii cu acelasi numar de atomi de carbon, scaderea punctului de fierbere este mai accentuata in urmatoarele situatii:

  • catena laterala este mai apropiata de marginea catenei principale;
  • exista doua catene laterale si nu una singura;
  • cele doua catene laterale sunt legate de acelasi atom de carbon al catenei principale si nu de doi atomi de carbon diferiti.

Formula

moleculara

 Formula plana

 Denumirea

Punct

de fierbere (0C)

C6H14

a

CH3- CH2-CH2 -CH2-CH2 -CH3  

n-hexan

+68,8

b

CH3-CH - CH2- CH2-CH3                                  

         CH3                                                                

2-metilpentan

+60,3

c

CH3- CH2-CH -CH2- CH3

                  CH3 

3-metilpentan

+63,3

d

        CH3-CH - CH-CH3                                            

                CH3   CH3                                                                 

2,3-dimetilbutan

+58

e

                      CH3   

              CH3-C - CH2-CH3                        

                         CH3

2,2-dimetilbutan

+49,7

Se observa ca

-          p.f.b <   p.f.c – ramificarea la b este mai marginala decat la c.

-          p.f.e <   p.f.d – ramificarea la e este mai accentuata decat la d, cele doua  catene laterale fiind          

                                   legate de acelasi atom de carbon al catenei principale( la e)  si nu de doi atomi    

                                   de carbon diferiti ( la d).


·         Solubilitatea

             n-alcanii  ca si izoalcanii sunt insolubili in apa, dar sunt solubili in compusi organici cu care pot forma intermolecular legaturi van der Waals  (alte hidrocarburi, eteri, alcooli etc.). Alcanii lichizi  sunt buni solventi pentru unele substante organice, ca de exemplu, grasimile.

Densitatea

             n-alcanii si izoalcanii lichizi si solizi au densitatea mai mica decat a apei (0,6-0,8g/cm3) si

plutesc deasupra apei.

·         Proprietati organoleptice

          Alcanii inferiori nu au miros.Cei superiori au un  miros caracteristic Pentru depistarea scaparilor de gaze din conducta de gaz metan sau din buteliile de aragaz (gaz metan) se adauga substante urat mirositoare (compusi organici cu sulf numiti mercaptani) al caror miros poate fi usor sesizat.

6. Proprietati chimice

Mult timp alcanii au fost denumiti parafine (para – fara; affinis – reactivitate, parafine-fara reactivitate chimica). Explicatia acestui fapt se regaseste in structura alcanilor. Acestia     sunt formati din atomi de C si H uniti prin legaturi covalente simple , nepolare(C si H avand electronegativitati foarte apropiate). Legaturile C – C si C – H sunt nepolare ceea ce confera structurii alcanilor caracter de molecula nepolara.

Exista  insa ,o serie de reactii chimice pe care le dau alcanii ( dar  nu cu reactanti polari), reactii in decursul carora au loc :

               ruperi de legaturi  C – H: reactii de dehidrogenare, oxidare, substitutii,

               ruperi de legaturi  C – C: reactii de izomerizare, oxidarea distructiva  a alcanilor superiori,  arderi.

Principalele reactii pe care le dau alcanii sunt:

  1. Reactia de substitutie :(reactie  caracteristica atomului de Csp3, in general compusilor saturati sau unei catene saturata).

a.Reactie de halogenare

b.Reactie de nitrare

  1. Reactia de izomerizare
  2. Reactia de oxidare. Reactie de ardere
  3. Reactia de descompunere termica

6.1. Reactia de substitutie

La modul general, reactia de substitutie se defineste ca fiind o reactie in care are loc inlocuirea unuia sau mai multor atomi din molecula substratului cu atomi sau grupuri de atomi din molecula reactantului. O reactie de substitutie se reprezinta

     A – B +    X – Y                  A – X + B – Y

   substrat     reactant               produsi de reactie


                           principal                                                secundar

   Substitutia la alcani consta in inlocuirea unuia sau mai multor atomi de H din molecula alcanului cu atomi sau grupuri de atomi din molecula reactantului.

   Schematic, reactia de substitutie la alcani se reprezinta:

           R - H + X - Y             R - X + H - Y            produs secundar

            alcan                     

                                      produs principal

a.      Reactia de halogenare

       Reactia de halogenare se defineste ca fiind reactia de introducere a unuia sau mai multor atomi de (halogen) in molecula unui compus organic.

·         Fluorurarea nu se face direct din cauza caracterului puternic oxidant al fluorului. Contactul dintre un alcan si fluor molecular decurge cu explozie.

            CnH2n+2 + (n+1)F2                    nC + (2n+2)HF

      Introducerea fluorului se face prin metode indirecte. Se utilizeaza un derivat halogenat si o fluorura solubila. Are loc schimbul interhalogenat cu obtinerea derivatului halogenat respectiv; astfel fluorura de etil se obtine in urma reactiei dintre fluorura de mercur (fluorura mercurica) si clorura de etil

.

          2CH3-CH2-Cl + HgF2                 2CH3-CH2-F  +   HgCl2

·         Clorurarea si bromurarea se face relativ usor, la lumina (hυ) sau la temperatura de 300-5000C. Reactia cu Br2 are loc in sistem omogen gazos. Alcanii nu reactioneaza cu Br2  din solutia de apa de brom.

       Clorurarea CH4 prezinta importanta practica prin aplicatiile largi pe care le au produsii de clorurare. Reactia de clorurare a CH4 decurge, la lumina (hυ) sau la temperatura de 300-5000C.  cu inlocuirea succesiva a atomilor de H din molecula alcanului obtinandu-se produsi de substitutie. Numai in prima etapa se clorureaza CH4; in celelalte etape are loc clorurarea derivatului halogenat obtinut anterior:

                                     

        CH4       +   Cl2                         CH3Cl+HCl

                                                     clorura de metil           (clorometan; monoclorometan)

       CH3Cl  +   Cl2                    CH2Cl2+HCl

                                                     clorura de metilen        (diclorometan)

       CH2Cl2 +   Cl2                    CHCl3+HCl

                                                     clorura de metin           (cloroform; triclorometan)

       CHCl3   +   Cl2                    CCl4+HCl

                                                     tetraclorura                   (tetraclorometan)

                                                      de carbon

 

b.      Reactia de nitrare

Reactia de nitrare poate avea loc:

·         in sistem omogen lichid ,cand au loc izomerizari,

·         in faza gazoasa, la 400-5000C, cand au loc  izomerizari si cracari.

o       Nitrarea in faza lichida.

            Nitrarea C3H8 in sistem omogen lichid conduce la obtinerea unui amestec de 1-nitropropan si 2-nitropropan (de aceea despre reactia de nitrare se spune ca este neselectiva ; ar fi fost selectiva daca s-ar fi obtinut doar unul din cei doi izomeri posibili). Cele doua tipuri de atomi de C din catena propanului nu prezinta aceeasi reactivitate in reactia de nitrare; se obtine mai mult 2-nitropropan .

       2CH3-CH2-CH3 + 2HONO2                    CH3-CH2-CH2-NO2+CH3-CH(NO2)CH3+2H2O

                                                                          1-nitropropan            2-nitropropan

o       Nitrarea in faza gazoasa.

Nitrarea alcanilor, in faza gazoasa, la 400-5500C, se desfasoara cu obtinerea , alaturi de nitropropan (1 si 2) si de nitrometan, respectiv nitroetan ( ca rezultat al cracarii si nitrarii).

                                                                        CH3-CH2-CH2-NO2 1-nitropropan

                                                                        CH3-CH-CH3              2-nitropropan

              CH3-CH2-CH3                                           NO2

                                                                        CH3-NO2                     nitrometan

                                             -H2O                  CH3-CH2-NO2          nitroetan

o       Nitrare indirecta

Reactia de nitrare nefiind orientata ( este neselectiva), pentru obtinerea unui anumit izomer se utilizeaza reactia de nitrare indirecta. fie cu NaNO2, fie cu AgNO2 Se lucreaza avand ca substrat derivatul halogenat corespunzator  iar ca reactant fie  NaNO2, fie  AgNO2.

AgX

NaX

 

AgNO2

NaNO2

 
         

                                                 

        R-X  +                                                     R-NO2+

       

Ex:

     pentru obtinerea numai a 1-nitropropan se  supune nitrarii indirecte clorura de izopropil    cu

NaNO2 sau cu AgNO2

- NaCl

 
                         CH3-CH-CH3 + NaNO2                         CH3-CH-CH3

                                 

                                 Cl                                                            NO2

                   clorura de izopropil                                      2-nitropropan

Reactia de nitrare a alcanilor nu prezinta un interes  deosebit din punct de vedere practic.

6.2. Reactia de izomerizare

Reactia de izomerizare este o reactie specifica alcanilor constand in transformarea unui n-alcan in unul din  izomerii sai de catena.Reactia a fost descoperita de C.D. Nenitescu in 1930 pe sistemul n-hexan cu obtinere de  2-metil pentan. Izomerizarea butanului este o reactie reversibila avand loc la temperaturi de 50-1000C in prezenta  de AlCl3 sau AlBr3 anhidru, obtinandu-se 2-metil propan(izobutanul). In system. la echilibru, se gaseste 20% n-butan si 80% izobutan.


  anhidru

 
       CH3-CH2-CH2-CH3                                 CH3-CH-CH3 (2-metil propan)

                                                                                 CH3        80% izobutan

Izomerizarea alcanilor are o importanta practica deosebita, respectiv in industria petroliera in obtinerea benzinelor cu cifra octanica ridicata. Cifra octanica este o caracteristica a oricarei benzine, reprezentand capacitatea unui amestec de vapori de benzina de a rezista la comprimari fara detonatii intr-un motor cu ardere interna. Cifra octanica exprima procentele in volum de izooctan din amestecul n-hectan ce are aceeasi comportare ca si benzina studiata intr-un motor cu ardere interna standard. Conventional, se aloca n-heptanului cifra octanica 0, iar izooctanului (2,2,4-trimetil pentan) cifra octanica 100. O benzina cu cifra octanica 98 va fi o benzina cu98% (in procente de volum) izoctan. Reactia de izomerizare a alcanilor este utilizata pentru ca s-a observat ca alcanii cu ramificare ard mai bine intr-un motor cu ardere interna decat cei neramificati.

6.3. Reactia de oxidare

Reactia de oxidare in chimia organica are acelasi inteles ca si in chimia anorganica, respectiv este o reactie cu schimbarea N.O. (cu cedare de e-). Numarul si aplicatiile reactiei de oxidare in chimia organica sunt mult mai mari. In principal, exista doua tipuri de reactii de oxidare:

1). Arderi care sunt oxidari totale cu obtinerea oxizilor elementelor organogene, compusi ale moleculelor. Toate substantele organice ard cu obtinerea CO2, H2O si alti oxizi.

2). Arderi partiale sau simple oxidari. Acestea pot avea loc:

o       cu O2 din aer la temperaturi ridicate in prezenta catalizatorilor specifici de oxidare;

o       cu  [O] furnizat de un  sistem oxidant.

Oxidarile:    - pot avea loc cu ruperea sau cu conservarea catenei;

                          - pot fi blande sau energice.

Alcanii ard si se pot oxida doar cu O2 din aer, sunt stabili la oxidarea cu [O].

  • Arderea alcanilor

Arderea alcanilor are loc cu formare de CO2, H2O reactia fiind puternic exoterma, fapt ce explica utilizarea acestora drept combustibili. Ecuatia generala este:


CnH2n+2+             O2                             nCO2+(n+1)H2O+Q

In cazul CH4 avem:          CH4+  2 O2             CO2+2H2O+Q

In cazul C4H10 avem:           C4H10+13/2O2                4CO2+5H2O+Q

                     CH4, C3H8 si C4H10 sunt combustibili furnizati populatiei, CH4 prin conducte, C3H8 si C4H10 prin lichefiere in butelii. CH4 (dar si alti alcani) formeaza cu aerul un amestec ce in cazul unei compozitii volumetrice de 5-15% se autoaprinde cu explozie, fapt ce explica grija pentru evitarea scaparilor de gaz metan in atmosfera. Oxidarea alcanilor se face numai cu oxigen din aer in conditii catalitice. Obtinerea produsilor de oxidare ce reprezinta materii prime importante in industria chinica organica de sinteza determina cresterea valorii unui metru cub de CH4 in raport cu consumuri de peste 30 de ori. Totalitatea proceselor care duc la transformarea unei substante in compus cu importanta industriala poarta denumirea de chimizare.

  • Chimizarea prin oxidare a metanului:

Metanul prezinta mai multe cai de chimizare, dar una din cele mai importante este chimizarea prin oxidare.

  • Obtinerea aldehidei formice: reactia are loc in prezenta de oxid de azot la 400-6000C:

           CH4 + O2          CH2=O + H2O

Aldehida formica constituie materia prima in industria medicamentelor dar si a masei plastice la obtinerea rasinilor fenolformaldehidice.

 

  • Obtinerea alcoolului etilic se face la 4000C si 60 de atmosfere.

            CH4 + 1/2O2                CH3-OH

Alcoolul etilic este considerat ca un combustibil al viitorului fiind folosit si ca solvent la obtinerea formaldehidei. Este toxic pentru organismul  uman; doza letala este de 0,15 g/Kg corp.

  • Gazul de sinteza se poate obtine:

a). Oxidarea partiala a metanului:  

         CH4 + 1/2O2            CO + 2H2

b). Conversia partiala a CH4. Reactia are loc pe catalizator de Ni la 650-9000C:

           CH4+H2O (vap.)          CO+3H2

c). Conversia totala a metanului cu vapori de apa conduce la amestecul de CO2 si H2 care poate fi considerata ca sursa de H2 (prin trecerea amestecului prin lapte de var si retinerea CO2-ului sub forma de CaCO3).

           CH4 + H2O (vap.)         CO  + 3H2

            CO + H20 (vap.)          CO2 + H2

           CH4 + 2H2O                 CO2 + 4H2

Gazul de sinteza are multiple aplicatii, fiind utilizaT, spre exemplu, la obtinerea metanolului.

          Reactia de obtinere a metanolului are loc la 300-4000C si 250 atm. pe catalizator de oxid de zinc si oxid de crom.

          CO+2H2            CH3-OH

  • Oxidarea CH4 in conditii reductive conduce la negru de fum:

           CH4 + O2          C + 2H2O

Reactia nu este convenabila din punct de vedere practic si de aceea pentru obtinerea negrului de fum se utilizeaza reziduuri petroliere. Carbonul este utilizat in industria cauciucului dar si pentru obtinerea tusurilor.

  • Arderea consuma oxigen separandu-se azot din aer:

           CH4 + (2O2 + 8N2)          CO2 + 2H2O + 8N2

H2  obtinut fie din gazul de sinteza fie prin dubla conversie a metanului impreuna cu N2 astfel obtinut constituie materii prime in sinteza NH3.

  • Amonoxidarea metanului are loc la 10000C pe catalizator de Pt  si reprezinta oxidarea metanului cu oxigen in prezenta de NH3 cu obtinerea acidului cianhidric.

         CH4 + 3/2O2 + NH3        HCN + 3H2O

In acelati mod are loc reactia de amonoxidare a propenei cu obtinerea acrinonitrilului care este un monomer in industria firelor si fibrelor sintetice, fiind utilizat la obtinerea firelor PNA (fire de tip melana).

            CH2=CH-CH3 + 3/2O2 + NH3                            CH2=CH-CN + 3H2O

  • Metanul poate suferi o reactie de piroliza cu obtinerea acetilenei. Reactia poate avea loc fie in arc electric, fie prin ardere incompleta la temperaturi de 15000C.

            2CH4               CH≡CH+3H2        

6.4.         Descompunerea termica a alcanilor

Alcanii fiind inerti chimic, sunt stabili pana la 300-4000C. La temperaturi mai mari sufera reactii de cracare (ruperea de legaturi C-C la temperaturi mai mici de 6500C) si reactii de dehidrogenare (ruperi de legaturi C-H la temperaturi mai mari de 6500C).

  • Metanul este stabil pana la 9000C, la 10000C sufera o reactie de piroliza cu formarea acetilenei.

     2CH4                 CH≡CH + 3H2

Caldura necesara poate fi furnizata:

a). Arderea incompleta a unei cantitati de metan

b). Descarcarea intre doi electrozi (arc electric)

  • Etanul nu sufera cracari ci doar dehidrogenari.

         CH3-CH3            CH2=CH2+H2

  • Propanul poate suferi atat cracari cat si dehidrogenari.


   CH3-CH2-CH3                                  CH4 + CH2=CH2

                                                            CH2=CH-CH3 + H2

o       La butan numarul produsilor de cracare, respectiv de hidrogenare este mai mare datorita diversitatii mai mari a naturii atomilor de C din natura.

Prin cracare la temp. mai mari de 6500C rezulta metan si propena respectiv etan si etena  iar prin dehidrogenare la temp. mai mici de 6500C rezulta 1-butena si 2-butena alaturi de H2.

                                                                        CH4 + CH2=CH-CH3

CH3-CH2-CH2-CH3                                        CH3-CH3 + CH2=CH2

                                                                        CH2=CH-CH2-CH3 + H2

                                                                        CH3-CH=CH-CH3 + H2

Odata cu cresterea numarului atomilor de C din catena alcanului numarul produsilor de cracare este mai mare. In industrie nu se supun procesului de descompunere termica alcani in stare pura, ci amestecuri cum sunt pacura si motorina. Se obtine o fractie gazoasa ce contine alcani si alchene inferioare si o fractiune lichida; rezulta benzina de piroliza - cracare, iar in cazul pacurei se obtine un reziduu solid numit casa de petrol.

 Schema chimizarii CH4 este:



[1] ( izo -  precizari la „ Izomeria la alcani “) 





Proiecte

vezi toate proiectele
 PROIECT DE LECTIE Clasa: I Matematica - Adunarea si scaderea numerelor naturale de la 0 la 30, fara trecere peste ordin
 Proiect didactic Grupa: Pregatitoare Cand/ cum și de ce se intampla? Roata anotimpurilor
 Brose - proiect
 Managementul Proiectelor - Controlul proiectelor, mega si micro proiecte

Lucrari de diploma

vezi toate lucrarile de diploma
 PROIECT DE DIPLOMA CHIRURGIE ORO-MAXILO-FACIALA - SUPURATIILE LOJELOR PROFUNDE DE ETIOLOGIE ODONTOGENA
 Diplomatie si conflict: relatiile internationale in timpul Primului Razboi Mondial
 Lucrare de diploma managementul firmei “diagnosticul si evaluarea firmei”
 PROIECT DE DIPLOMA CHIMIE INDUSTRIALA SI INGINERIA MEDIULUI - TEHNOLOGIA ACIDULUI GLUTAMIC

Lucrari licenta

vezi toate lucrarile de licenta
 Lucrare de licenta educatie fizica si sport - sistemul de selectie in jocul de handbal pentru copii de 10-11 ani in concordanta cu cerintele handbalul
 Lucrare de licenta contabilitate si informatica de gestiune - politici si tratamente contabile privind leasingul (ias 17). prevalenta economicului asupra juridicului
 LUCRARE DE LICENTA management - Impactul implementarii unui sistem de management al relatiilor cu clientii in cadrul unei societati comerciale
 LUCRARE DE LICENTA Ingineria si Protectia Mediului in Industrie - Proiectarea unui depozit de deseuri urbane pentru un oras cu 200.000 de locuitori

Lucrari doctorat

vezi toate lucrarile de doctorat
 Doctorat - Modele dinamice de simulare ale accidentelor rutiere produse intre autovehicul si pieton
 Diagnosticul ecografic in unele afectiuni gastroduodenale si hepatobiliare la animalele de companie - TEZA DE DOCTORAT
 LUCRARE DE DOCTORAT ZOOTEHNIE - AMELIORARE - Estimarea valorii economice a caracterelor din obiectivul ameliorarii intr-o linie materna de porcine

Proiecte de atestat

vezi toate proiectele de atestat
 Proiect atestat profesional informatica - evidenta spital
 ATESTAT LA INFORMATICA - Gestionarea unui magazine de confectii
 ATESTAT PROFESIONAL TURISM SI ALIMENTATIE PUBLICA, TEHNICIAN IN TURISM
 Proiect atestat electrician constructor - tehnologia montarii instalatiilor electrice interioare


Influenta pH-ului asupra mobilitatii cationilor. Solubilizarea mineralelor
Descriere formala a procesului de schimb ionic
Influenta chimismului apei din circuitul secundar asupra coroziunii otelurilor carbon
Oxizi si hidroxizi
Experimentari privind realizarea de straturi subtiri de TiC
Originea ionilor in solutie
Studiul tensiunii superficiale prin metoda stalagmometrului
Scurt istoric asupra schimbului ionic

Termeni si conditii
Contact
Creeaza si tu

 


.com Copyright © 2014 - Toate drepturile rezervate.
Toate documentele au caracter informativ cu scop educational.